《振動噪音科普專欄》感測器的「靈敏度」(sensitivity)是甚麼？

在振動噪音量測時，最常採用的感測器(sensor)不外是加速度規(accelerometer)及麥克風(microphone)，有時也會需要量測作用力，就採用力感測器(force transducer)。

這些感測器都有其規格(specification)，其中，重要的規格資訊之一就是「靈敏度」(sensitivity)，本單元就來介紹感測器的「靈敏度」是甚麼？「靈敏度」有單位嗎？有甚麼用途？如何應用「靈敏度」？

在先前的單元：【甚麼是「感測器」(sensor)及「物理量」(physical quantity)？】，我們再回顧一下甚麼是「感測器」(sensor)，簡單的說，能將物理量(physical quantity)轉換成電的訊號(electrical signal)之設備(device)就是「感測器」，而這個電的訊號通常為「電壓」 (voltage)。

為什麼「感測器」輸出之電的訊號通常為「電壓」 (voltage)，這是為了配合將量測數據傳送到電腦的數位化(digitalization)處理。所以，「感測器」量測得到之電壓(voltage)訊號，可以傳送到電腦，進而處理得到此物理量的時間歷程(time history)訊號。為了將電壓數值V轉換得到正確的物理量值P，就需要感測器的「靈敏度」S了。

以下針對振動噪音量測時，常用的三種感測器：(1) 加速度規(accelerometer)，(2) 麥克風(microphone)，(3) 力感測器(force transducer)。分別說明其典型的「靈敏度」數值及其意義。

(1)「加速度規」(accelerometer)，顧名思義就是量測「加速度」的感測器，可以稱為「加速度計」、「加速度規」、或簡稱「加速規」。

「加速度」就是一個物理量，典型的加速度規之靈敏度單位為 mV/m/s^2、或是mV/g。在此須注意：其中，「mV」的V是電壓單位伏特(voltage)的單位代號；「mV」的m是單位代號V的前置代號(prefix)，m是milli的倍數代號，是10的-3次方；所以，mV=千分之一伏特。

以代數符號來說明：令S為感測器之靈敏度，如何將電壓數值V轉換得到正確的物理量值P呢？簡單的計算通式：P=V/S。也可以寫成：V=P*S。

令Sa為加速度規之靈敏度，單位：mV/m/s^2；V為量測到的電壓，單位：mV；A為實際的加速度物理量，則：A = V/Sa，或V=A*Sa。

舉例來說，一個加速度規之靈敏度為Sa=10 mV/m/s^2，代表的意義就是：當加速度為A=1 m/s^2時，對應的電壓是V=A*Sa=10 mV。反之，如果量到的電壓是V=100 mV，則代表量到的加速度是A=V/Sa =100/10 =10 m/s^2。

加速度規之靈敏度除了以 mV/m/s^2 為單位，也可以表示為mV/g的單位。g是重力加速度值，g=9.807 m/s^2。所以，兩種靈敏度的表示方式都可以，就看使用者希望採用的加速度是m/s^2的單位、或是g的單位。

(2) 麥克風(microphone)是量測聲音壓力(sound pressure)的感測器(sensor)，度量得到的物理量是聲音壓力P。

如果，典型的麥克風之靈敏度Sp=40 mV/Pa，由V=P*Sp，當P=1 Pa時，V=1*40=40 mV。反之，如果麥克風量到的電壓是V=400 mV，則代表量到的聲音壓力是P=V/Sp =400/40 =10 Pa。

(3) 力感測器(force transducer)是量測力(force)的感測器(sensor)，度量得到的物理量是力F。

如果，典型的力感測器之靈敏度Sf=20 mV/N，由V=F*Sf，當F=1 N時，V=1*20=20 mV。反之，如果力感測器量到的電壓是V=200 mV，則代表量到的力是F=V/Sf =200/20 =10 N。

綜合本單元的說明：

1.    「感測器」(sensor)：一種設備(device)能將「物理量」 (physical quantity)轉換成電的訊號(electrical signal)，這個電的訊號通常為「電壓」 (voltage)。

2.    「感測器」的「靈敏度」S：可將度量的「電壓」數值V，轉換成正確的「物理量」數值P。三者之間的通式：P=V/S。也可以寫成：V=P*S。

3.       振動噪音量測常用的感測器：(1) 加速度規(accelerometer)，(2) 麥克風(microphone)，(3) 力感測器(force transducer)。

4.       典型的加速度規靈敏度：Sa=10 mV/m/s^2，或是Sa=1.02 mV/g。

5.       典型的麥克風靈敏度：Sp=40 mV/Pa。

6.       典型的力感測器靈敏度：Sf=10 mV/N。

7.       物理量、電壓、靈敏度之轉換關係：(1) 加速度規：A = V/Sa，V=A*Sa。(2) 麥克風：P = V/Sp，V=P*Sp，(3) 力感測器：F = V/Sf，V=F*Sf。

本單元簡單說明【甚麼是感測器的「靈敏度」(sensitivity)？】，在振動噪音領域常用的感測器，包括：加速度規、麥克風以及力感測器，並說明其典型的靈敏度以及計算求得物理量的轉換關係，希望對讀者有所幫助。

以上個人看法，請多指教！

王栢村

2018.01.17

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